河南科技學(xué)院2013屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目基于FPGA的太陽能熱水器智能控制器的設(shè)計學(xué)生姓名所在學(xué)院所學(xué)專業(yè)導(dǎo)師姓名完成時間20130515基于FPGA的太陽能熱水器智能控制器的設(shè)計摘要近些年人們的生活水平越來越好,因此人們也越來越注重生活質(zhì)量,越來越注重環(huán)境保護,太陽能熱水器成為了近些年來家庭中常見的家用產(chǎn)品。尤其在農(nóng)村地區(qū)太陽能熱水器的使用呈指數(shù)式增長,但是現(xiàn)在國內(nèi)太陽能熱水器的質(zhì)量還有待提高,存在著很多設(shè)計上的問題。例如有些功能過于單一，不能24小時隨時提供熱水，很容易受到外界的干擾，不能很好地滿足人們心中對太陽能熱水器功能的需求，有時還會出現(xiàn)加熱不足或者是過加熱的情況，這樣就存在很多大的安全隱患，所以本文設(shè)計了一款基于FPGA的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括顯示模塊、鍵盤模塊、水位檢測模塊、溫度模塊、上水模塊、模糊控制模塊等。該太陽能熱水器操作簡單，功能齊全，抗干擾性能好，可以保證用戶能夠24小時都能隨時用上熱水，而且不會出現(xiàn)加熱不足或者是加熱時間過長的現(xiàn)象，讓用戶用著安心用著放心，這樣才達到了本文設(shè)計這款太陽能熱水器的目的。關(guān)鍵詞太陽能熱水器，模塊化設(shè)計，F(xiàn)PGA，模糊控制FPGABASEDSOLARWATERHEATERINTELLIGENTCONTROLLERDESIGNABSTRACTINRECENTYEARS,THELEVELOFPEOPLESLIVESGETTINGBETTERANDBETTER,SOPEOPLEAREINCREASINGLYFOCUSEDONTHEQUALITYOFLIFEMOREANDMOREATTENTIONTOENVIRONMENTALPROTECTION,SOLARWATERHEATERHASBECOMECOMMONINRECENTYEARS,THEFAMILYHOMEEXPONENTIALGROWTHOFSOLARWATERHEATERS,ESPECIALLYINRURALAREAS,BUTTHEQUALITYOFDOMESTICSOLARWATERHEATERTHEREISTOBEIMPROVED,THEREAREMANYDESIGNPROBLEMSFOREXAMPLESOMEFEATURESOVERASINGLE,NOTFOR24HOURSTOPROVIDEHOTWATERATANYTIME,ARESUSCEPTIBLETOOUTSIDEINTERFERENCE,THEHEARTSOFTHEPEOPLECANNOTMEETTHEDEMANDOFSOLARWATERHEATERFUNCTION,ANDSOMETIMESINSUFFICIENTHEATINGOROVERHEATING,SOTHEREAREMANYSECURITYRISKS,SOWEDESIGNEDANFPGABASEDSOLARWATERHEATERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMTHESYSTEMINCLUDESADISPLAYMODULE,KEYBOARDMODULE,THEWATERLEVELDETECTIONMODULE,MODULETEMPERATURE,WATERSUPPLYMODULE,FUZZYCONTROLMODULETHESOLARHEATEROPERATIONISSIMPLE,FUNCTIONAL,ANTIJAMMINGPERFORMANCE,CANENSURETHATUSERSCANSPENDHOTWATERATANYTIMEIN24HOURS,ANDWILLNOTAPPEARINSUFFICIENTHEATINGORHEATINGTIMEISTOOLONGPHENOMENON,SOTHATUSERSWITHPEACEOFMINDWITHTHERESTASSURED,SOASTOACHIEVETHEPURPOSEOFTHEDESIGNOFFTHISSOLARWATERHEATERKEYWORDSSOLARWATERHEATERS,MODULARDESIGN,FPGA,FUZZYCONTROL目錄1緒論111我國太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀112本文研究的目的與意義12太陽能熱水器的原理與結(jié)構(gòu)221太陽能熱水器的基本原理222太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)223太陽能熱水器的電氣控制33基于FPGA智能化外部電路的設(shè)計431總體硬件電路的設(shè)計432硬件電路芯片的選型5321FPGA芯片的選用533FPGA外部硬件電路的設(shè)計5331溫度傳感器局部電路的設(shè)計5332水位檢測局部電路設(shè)計733344矩陣控制鍵盤電路的設(shè)計7334顯示模塊的設(shè)計8335上水模塊控制電路9336加熱模塊控制電路9337模糊控制模塊的設(shè)計104內(nèi)部軟件設(shè)計1141軟件流程設(shè)計1142系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計12421按鍵模塊軟件設(shè)計12442顯示模塊的設(shè)計13443溫度檢測模塊13444水位檢測模塊14445上水模塊設(shè)計15446電加熱模塊設(shè)計16結(jié)論17參考文獻18致謝19附錄2011緒論11我國太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀近十幾年來，中國的經(jīng)濟發(fā)展迅速，人們越來越富裕。國家統(tǒng)計局發(fā)布的2012年國民經(jīng)濟運行情況顯示，全年國內(nèi)生產(chǎn)總值519322億元，按可比價格計算，比上年增長78,按照年末匯率計算，GDP約合826萬億美元，人均GDP6100美元。由于人民生活水平的提高，太陽能熱水器已經(jīng)成為了大多數(shù)家庭中必備的產(chǎn)品之一。太陽能熱水器基本上不受年齡層次的影響，所以市場范圍特別大。12本文研究的目的與意義隨著人們生活水平的提高，人們越來越追求高質(zhì)量高品質(zhì)的生活。但同時人們也面臨著環(huán)境問題和生活成本越來越高等問題。煤、石油等化石燃料的價格一路飆升，給人們的生活成本帶來了巨大的壓力，迫使人們向清潔能源發(fā)展，隨之而來的就是帶來了太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。但是我國市場上的太陽能熱水器大部分都比較簡單，有的還會有安全上的隱患，現(xiàn)在的消費者越來越追求安全舒適的人性化的產(chǎn)品，顯然現(xiàn)有的太陽能熱水器已經(jīng)越來越不能夠滿足消費者對產(chǎn)品人性化設(shè)計要求了。所以本文要設(shè)計一款太陽能加熱和電加熱相結(jié)合的恒溫控制系統(tǒng)，電加熱和太陽能加熱可以相互的自動切換，利用模糊控制的設(shè)計實現(xiàn)了熱水器的恒溫控制問題，保證用戶24小時都能隨時用上熱水，而且不會出現(xiàn)過加熱或者是加熱不足的情況。22太陽能熱水器的原理與結(jié)構(gòu)21太陽能熱水器的基本原理太陽能熱水器就是利用太陽能，把太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，然后把熱能傳遞給水最終產(chǎn)生熱水的的一種裝置。它通過聚集熱量，把熱量傳遞給溫度較低的冷水，當水被加熱升溫時，熱水就會上浮冷水下沉，這樣就把冷水和熱水分開了，熱水進入上水筒冷水被繼續(xù)加熱，一直持續(xù)下去就會有源源不斷的熱水了。22太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)太陽能熱水器有兩大部分組成熱水器和控制器部分。熱水器部分又分為蓄水箱、集熱器、連接管道等其他設(shè)施。而控制器又有輸入、顯示、檢測、控制等電路組成。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示溫度檢測溫度設(shè)定數(shù)碼管水位設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換電磁閥晶閘管加熱控制上水控制水位檢測EP2C5F256C6自動上水時間設(shè)定蓄熱水箱儲水箱循環(huán)泵循環(huán)泵電加熱水位傳感器溫度傳感器入水口出水口溫度傳感器圖21太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23太陽能熱水器的電氣控制3（1）先將蓄水箱加滿水,使集熱器處于滿水工作狀態(tài)。（2）自動供應(yīng)冷水和及時儲蓄熱水。太陽能集熱板和太陽能蓄熱水箱內(nèi)都安裝有溫度傳感器，能夠及時收集兩個水箱內(nèi)的水溫信號。通過把溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號在控制電路中比較，若測得溫度數(shù)據(jù)差值比預(yù)先所設(shè)定的數(shù)值大，控制器發(fā)出控制信號，開啟循環(huán)水泵把熱水送入太陽能蓄水箱內(nèi)，同時把冷水送入太陽能集熱板內(nèi)。由于傳感器是實時監(jiān)控實時發(fā)送信號的，所以當傳感器所測得的溫度信號差值小于所設(shè)定的值時循環(huán)水泵就會立刻停止上水工作，然后太陽能集熱器能的水開始加熱。（3）蓄水箱中的電加熱控制系統(tǒng)的工作。水溫都是通過安裝在水箱內(nèi)的溫度感應(yīng)器來來實時監(jiān)測的。通過轉(zhuǎn)換把溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后和預(yù)先設(shè)定的電壓信號差值進行比較，如果如果所測得的差值比預(yù)先設(shè)定的差值要大的話就說明水箱內(nèi)的水溫達到了所設(shè)定的溫度值，這時就無需加熱。如果如果所測得的差值比預(yù)先設(shè)定的差值要小的話就說明水箱內(nèi)的水溫沒有達到所設(shè)定的溫度值，這時就需要控制器發(fā)出信號，經(jīng)過放大電路來驅(qū)動電加熱器工作對集熱器內(nèi)的水進行加熱。（4）太陽能熱水器的智能電氣保護系統(tǒng)。當陽光較強時蓄水箱內(nèi)的溫度已經(jīng)達到了本文所設(shè)定的溫度時，本文就不需要再用電加熱對蓄水箱進行加熱了。通過控制器關(guān)閉對水箱的電加熱，這樣既安全又節(jié)省了電量。相反，在太陽能不足時通過傳感器測得的溫度傳輸給控制器，控制器通過控制電加熱系統(tǒng)對水箱內(nèi)的水進行加熱，從而保證了水箱內(nèi)隨時有熱水，而且防止水管等其他裝置在冬天寒冷的天氣中被動壞了。（5）控制其中還有一些按鍵來控制熱水器中的溫度設(shè)定、水位設(shè)置、和上水時間的控制等。43基于FPGA智能化外部電路的設(shè)計31總體硬件電路的設(shè)計硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計包括控制電路、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、傳感器電路、鍵盤電路、水位水溫檢測電路等。在硬件電路設(shè)計時,考慮到后期擴展,應(yīng)該留有一定數(shù)量的預(yù)留接口。外圍電路一定不能出錯,因為外圍電路一旦成型在進行更改就會比較困難。整體硬件電路設(shè)計如圖31所示16位按鍵EOCD0D7OESTARTALEADDBADDAIN1IN0水位檢測晶閘管繼電器TIL113TIL117EP2C5F256C6ADC0809C1C6EIE5F6F10B3A7A14A6A5A4A3B4L1L4K1K2M16N16T3T4T5T6R7R8T7T14D16D15D14D13EPCS4SI8DATADCLKNCSASDI74LS373OELED0D7Q0Q7圖31硬件系統(tǒng)電路圖按鍵模塊主要是用來設(shè)置上水時間、加熱溫度、水位設(shè)定等的控制；ADC0809模塊主要是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行奶幚砥?；水位檢測模塊是通過傳感器將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0、1二進制數(shù)據(jù)，再通過中5心處理器傳輸?shù)綌?shù)碼管上用十進制數(shù)據(jù)顯示出來。32硬件電路芯片的選型現(xiàn)有的市場上大多數(shù)的控制芯片都是由單片機控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理器、或者可編程邏輯器件即FPGA構(gòu)成的。單片機和數(shù)字信號處理器都是采用的哈佛結(jié)構(gòu),而FPGA采用的是查列表。單片機在簡單控制上有優(yōu)勢，數(shù)字信號在數(shù)據(jù)處理上占有優(yōu)勢，而FPGA在控制和新算法上比較占優(yōu)勢。33FPGA外部硬件電路的設(shè)計331溫度傳感器局部電路的設(shè)計溫度傳感器的種類有很多主要有熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶、數(shù)字溫度傳感器等類型。這幾種溫度傳感器各有利弊，本文這里選用高可靠的NTC熱敏電阻器作為該項目的溫度傳感器。本文選用熱敏電阻主要有以下幾個方面1絕緣性好,可靠性高,反映速度快；2具有良好的絕緣密封性和抗機械碰撞,抗折彎能力,可靠性高；3能長時間穩(wěn)定工作年電阻值漂移率1；4比較精密,能測定001的溫度改變；5測量溫度范圍比較廣,可以測量80L50。綜合以上原因本文選用熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻的阻值溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線,在一定的范圍內(nèi)可以近似為線性函數(shù),這樣就方便溫度測量與控制調(diào)試熱敏電阻的阻值溫度特征曲線如圖32所示。圖32熱敏電阻阻值溫度特征曲線為了測得水溫,可以給熱敏電阻一恒定電流,電阻隨著溫度的改變而改變,所以電壓也會隨著溫度的改變而改變。這樣一來本文就可以用電壓值的改變來表示水溫的變化。本文可以用下面這個公式來表示溫度的變化TKVT0T表示被測的溫度表示熱敏電阻溫度特性相關(guān)的參數(shù)06K表示熱敏電阻相關(guān)系數(shù)TV表示熱敏電阻兩端的電壓根據(jù)這個公式，知道了熱敏電阻溫度特性相關(guān)的參數(shù)和熱敏電阻的相關(guān)系數(shù)，再測得熱敏電阻兩端的電壓就可以測到水箱內(nèi)的溫度。由上圖可知，熱敏電阻阻值溫度特征曲線從10到150都呈線性函數(shù)，適合本文的太陽能熱水器系統(tǒng)。溫度測量電路具體設(shè)計如圖33所示B3A7A14A6A5A4A3B4EP2C5F256C6ADC0809EOCD0D7OESTARTALEADDBADDAIN0R熱敏電阻圖33溫度測量電路332水位檢測局部電路設(shè)計水位檢測電路采用簡單易行、便宜可靠的電路設(shè)計，如果不考慮成本的情況下應(yīng)該采用連續(xù)型水位檢測比較好，但是本文考慮到成本問題這里采用間斷式的水位檢測設(shè)計。大致簡圖如圖34所示圖34水位檢測電路簡圖這里可以把水箱分為A、B、C、D、E五部分，分別代表水箱水位的20、40、60、80、100。這五部分都分為兩個電平高電平和低電平，分別用1、0來表示。當水位達到20時A端就為高電位如果水位低于20時A端就為低電平，當水位達到40時B端就達到高電平以此類推當水位達到100時E段就為高電平。通過把A端到E端與FPGA芯片連接再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換就能把水位用兩個數(shù)碼管顯示出來，這樣就能及時掌握水位的具體情況并且可以通過控制ACDBE5V水箱電阻導(dǎo)線100806040207系統(tǒng)來控制上水的時間、水位的高低。33344矩陣控制鍵盤電路的設(shè)計本文中需要0到9是個數(shù)字鍵，還需要溫度設(shè)置鍵、水位設(shè)置鍵、上水時間控制鍵、確認鍵和后退鍵。加起來一共15個按鍵，所以需要設(shè)計一個44鍵盤才夠用。矩陣鍵盤又叫做行列式鍵盤，44矩陣鍵盤需要4個IO口來作為行輸入，還需要4個IO口來作為列輸入。每個行和每個列的交叉點就是一個按鍵，這樣有44共16個按鍵足夠本設(shè)計的的要求和使用，而且還節(jié)省了很多IO口。44鍵盤簡單框圖如圖35所示0123456789ABCDEF端口1端口2端口3端口4端口5端口6端口7端口8圖3544鍵盤簡單框圖44矩陣鍵盤具體工作原理首先進入鍵盤掃描狀態(tài)，看是否有按鍵按下。先從端口1到端口4輸入低電平，端口5到端口8輸入高電平，然后從端口5到端口8讀取鍵盤狀態(tài)。再從端口1到端口4輸入高電平，端口5到端口8輸入低電平，然后從端口1到端口4讀取鍵盤狀態(tài)。通過兩次對鍵盤陣列的掃描就能判斷出來那個按鍵被按下然后通過芯片來進行控制操作。例如按鍵2被按下了，從端口1到端口4輸入低電平，端口5到端口8輸入高電平，可得端口5到端口8的狀態(tài)為“0111”,即為“70H”。再從端口5到端口8輸入低電平，端口1到端口4輸入高電平，可得端口1到端口8的狀態(tài)8為“1101”,即為“0DH”。將兩次狀態(tài)值進行或運算就可以得到其按鍵的特征編碼為“7DH”。根據(jù)這種方法可以隨時測得哪個按鍵被按下，進而可以根據(jù)用戶的需要實時精準的控制系統(tǒng)的整體。334顯示模塊的設(shè)計顯示模塊本文采用4個共陰極數(shù)碼管組成，數(shù)碼管分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，本文采用動態(tài)顯示，一方面動態(tài)顯示用的管腳比較少，連接比較簡單；另一方面采用數(shù)碼管作為顯示模塊最大的優(yōu)點就是成本低，設(shè)計簡單，經(jīng)久耐用。共陰極數(shù)碼管字形與代碼對應(yīng)關(guān)系如表31所示表31數(shù)碼管共陰極顯示字形與代碼之間的對應(yīng)關(guān)系字形01234567共陰極代碼3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H字形89ABCDDEF共陰極代碼7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H335上水模塊控制電路上水控制模塊的電路設(shè)計如圖36所示，從中心處理器的M16引腳輸出高電平接一個74LS06，高電平變?yōu)榈碗娖?，這樣就使光電耦合TIL117里面的發(fā)光二極管導(dǎo)通，然后光敏三極管也隨之導(dǎo)通，最后驅(qū)動MC1416工作，使其控制繼電器和電磁閥工作。EP2C5F256C6M16220V繼電器電磁閥MC141674LS06TIL1175V5V1K1K12V圖36上水模塊控制電路336加熱模塊控制電路因為中心處理器的工作電壓為115V到125V，所以不可能直接通過中央芯片來進行加熱。這里通過連接功率放大器來控制220V的高電壓來完成對水的加熱。利用控制其導(dǎo)通的大功率二極管4N40門極上加載的小電流來完成對陰極9陽極導(dǎo)通的控制。電加熱模塊控制電路如圖37所示EP2C5F256C6N1674LS06TIL1135V1K12V68K5104N4001UF100220VVT1圖37加熱模塊控制電路337模糊控制模塊的設(shè)計本文中模糊控制模塊就是一個用硬件語言來實現(xiàn)從外設(shè),模糊控制模塊主要有模糊控制器和查找列表電路等部分組成。采用模糊控制模塊有以下好處他是直接采用硬件語言來直接控制的,這樣就不用在設(shè)計中建立控制模型了,使得控制設(shè)計變得簡單、更容易接受便于操作控制。模糊控制模塊程序見附錄1，硬件語言生成的模糊控制器原理圖如圖38所示，緩存查找電路如圖39所示，模糊控制模塊整體電路設(shè)計如圖310所示圖36模糊控制器原理圖圖39緩存查找電路10圖310模糊控制模塊整體電路設(shè)計4內(nèi)部軟件設(shè)計41軟件流程設(shè)計軟件流程的設(shè)計本文使用模塊化的設(shè)計，模塊化的設(shè)計給本文帶來了巨大的方便，使后期的工作量大大減少。采用模塊化的設(shè)計讓這個復(fù)雜的工程簡單化，把一個大的整體分為一個一個的小模塊，這樣即使哪里出錯了也能夠很快的精準的確定問題的所在，快速的解決問題。模塊化的設(shè)計還對以后系統(tǒng)的升級改造帶來很大的方便，那個模塊需要升級只需修改那個模塊就行了，需要添加新的功能只需再添加新的模塊就行了，這樣使本文的工作量就減少了好多，效率也提高了不少。軟件設(shè)計流程圖如圖41所示11開始初始化定時器按鍵處理加熱控制模糊算法處理采集溫度上水控制水位檢測啟動定時器有按鍵嗎YN圖41軟件流程設(shè)計圖42系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計421按鍵模塊軟件設(shè)計本文用到了15個按鍵，所以本文設(shè)計了一個44矩陣鍵盤共16個按鍵，第09位為數(shù)字按鍵，用來輸入設(shè)定的溫度值、水位值和定時電加熱的時間；第10位為上水時間的設(shè)定鍵，按下后在再輸入用戶想要設(shè)定的時間最后按確定鍵就可以修改上水時間，按取消鍵就可以取消設(shè)定；第11位和第12位分別為溫度設(shè)定鍵和水位設(shè)定鍵,操作步驟方法和上水時間控制鍵是一樣的，第13位和第14位分別為確定鍵和取消鍵。按鍵模塊程序見附錄程序2，按鍵模塊的電路流程圖如圖42所示，按鍵模塊PIO各位的意義如表41所示12按鍵程序結(jié)束數(shù)據(jù)無效數(shù)字鍵處理等待返回鍵將命令保存有命令鍵嗎按數(shù)字鍵按確定鍵嗎將數(shù)據(jù)保存NYYN圖42按鍵模塊程序流圖表41按鍵模塊PIO各位的意義PIO的位位定義第09位數(shù)字鍵，代表數(shù)字09第10位命令鍵，進行自動上水時間設(shè)定第11位命令鍵，進行溫度設(shè)定第12位命令鍵，進行水位設(shè)定第13位命令鍵，進行數(shù)據(jù)有效確定第14位命令鍵，進行數(shù)據(jù)無效確定442顯示模塊的設(shè)計13本文中的顯示模塊是用四個數(shù)碼管來進行顯示的，主要用來顯示溫度和水位的，因為FPGA芯片里面的數(shù)據(jù)都是以十六進制的形式出現(xiàn)的，所以需要將十六進制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管能夠識別的十六進制字段碼才能夠顯示出來。由于是用寄存器來控制對溫度和水位的顯示的，所以需要對寄存器各位進行定義。顯示模塊的程序見附錄程序3，顯示模塊寄存器各位的定義見表42表42顯示模塊PIO各位的定義PIO各位各位定義第0位第4個數(shù)碼管的位控位第1位第4個數(shù)碼管的位控位第2位第4個數(shù)碼管的位控位第3位第4個數(shù)碼管的位控位第47位轉(zhuǎn)換后要顯示的數(shù)據(jù)D0D7位第8位脈沖產(chǎn)生源443溫度檢測模塊溫度檢測模塊就是用來檢測水箱內(nèi)的實時溫度，為用戶提供準確